2021 Fiscal Year Annual Research Report
Determination of trigger sites for crack formation in aeronautical composite by combining X-ray microscopy and applied mathematics
| Project/Area Number |
19H00834
|
|---|
| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
|---|
Principal Investigator |
木村 正雄 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (00373746)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
丹羽 尉博 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 助教 (00743709)
大林 一平 岡山大学, 環境生命科学学域, 教授 (30583455)
武市 泰男 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 助教 (40636461)
渡邊 稔樹 京都大学, 人間・環境学研究科, 特定助教 (90851428)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | X線顕微鏡 / X-CT / 顕微分光 / 放射光 / CFRP / パーシステントホモロジー / 機械学習 / き裂 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
(1) 昨年度までに高度化に成功したX線顕微鏡による4次元/5次元観察により、高空間分解能(~50nm)で、応力負荷しながら(in situ)X-CTによる観察を行いCFRP (炭素繊維強化プラスチック)における、Mode II（剪断）応力下での挙動解明に取り組んだ。その結果、Mode I (引っ張り)応力での挙動と同様に(A)樹脂内でのき裂発生と、(B)炭素繊維/樹脂界面での剥離、の異なるモードでき裂が発生するが、多くは、繊維/樹脂界面で発生した亀裂（剥離）が繊維界面に沿って進展し、その一部が樹脂内に伝搬していくことが明らかになった。
(2)フェノキシ樹脂とナイロン12を混合したポリマーアロイについて、種類の異なる相溶化剤を添加し、走査型X線顕微鏡(STXM)を用いて炭素の化学状態をナノスケールでマッピングすることにより、その微細構造の変化を明らかにした。相溶化剤の種類により、フェノキシ樹脂もしくはナイロン12との相互作用が異なり、最終的な海島構造が大きく異なることが分かった。
(3)顕微鏡ビッグデータの応用数学による解析として不均一性のかたちをマルチスケールかつ定量的に特徴付ける手法であるパーシステントホモロジー(PH)の高度化に取り組んだ。従来二次元データについて解析を行ってきたが、アルゴリズムの改良と計算プログラムの高度化を行い、三次元データについても解析が可能になった。高度化した手法を用いて、鉄系酸化物の還元反応における三次元顕微鏡データの解析を行い、トリガーサイト（trigger site）を明らかにすることに成功した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
CFRP (炭素繊維強化プラスチック)におけるき裂の発生、進展の挙動を、X線顕微鏡による4次元観察(空間3D＋時間)する技術を確立した。それにより、様々な応力印加条件下での亀裂進展をナノスケールで解明することに成功し、当初の想定以上の進捗である。また、そのき裂進展に重要となることが判明した「炭素繊維/樹脂界面」の理解のために２種類の樹脂からなるポリマーアロイの位相界面での炭素の化学状態をSTXM顕微鏡で観察を行うことに成功した。
その一方で、新型コロナウイルス感染症による影響により、代替不能な研究協力者が来所しての実験が困難となった。そのため、4月以降に、研究協力者と破壊の観察実験を延長して実施する必要が生じ、そのための費用を2022FYに繰り越した。
これらから、全体として概ね順調に進展している。
|
| Strategy for Future Research Activity |
(1) 航空機用複合材料の代表であるCFRPについて、確立したX線顕微鏡による4次元/5次元観察技術を用いて、更に様々な応力印加条件での観察を行うとともに、その結果をマイクロメカニックスによる力学的な定量評価と合わせて、破壊の起点となるトリガーサイトの同定につなげる。(2) X線顕微鏡を用いて、炭素繊維/樹脂や異相樹脂界面での炭素の化学状態のマッピングを行い、ナノ~ミクロスケールでの化学状態の不均一性がマクロ特性に及ぼす因子について調べる。 (3)顕微鏡ビッグデータの応用数学による解析:不均一性のかたちをマルチスケールかつ定量的に特徴付ける手法であるパーシステントホモロジー(PH)による解 析について、二次元から三次元に拡張した解析プログラムを用いて三次元顕微鏡データの解析を進める。特に、炭素繊維の配列や、化学状態の不均一のかたちを記述する特徴量の抽出を進める。
|
-
-
-
-
[Presentation] Effect of the compatibilizer on the morphology of a phenoxy-resin/nylon-12 polymer alloy: A scanning transmission X-ray microscopy study2022
Author(s)
Takayuki Harano, Takahiro Yoshioka, Shinichiro Sakurai, Hiroaki Ohara, Sakura Origuchi, Jun Mukudai, Yasuo Takeichi, Shohei Yamashita, Hiroyuki Takahashi, Hideaki Yoshino, Kyoko Adachi, Masao Kimura
Organizer
15th International Conference on X-ray Microscopy (XRM2022)
Int'l Joint Research
-
-
-
-
